提高單片機(jī)設(shè)計(jì)硬件可靠性的一般方法

1、電路設(shè)計(jì)

影響單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)可靠性的因素，有45％來(lái)自系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為了保證測(cè)控系統(tǒng)的可靠性，在對(duì)電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行最壞情況的設(shè)計(jì)。

各種電子元件的特性不可能是一個(gè)恒定值，總是在其標(biāo)注值的上下有一個(gè)變化的范圍。同時(shí)，電源電壓也有一個(gè)波動(dòng)范圍，最壞的設(shè)計(jì)（指工作環(huán)境最壞情況下）方法是考慮所有元件的公差，并取其最不利的數(shù)值。核算電路的每一個(gè)規(guī)定的特性。如果這一組參數(shù)值都能保證正常工作，那么在公差范圍內(nèi)的其它所有元件值都能使電路可靠地工作。在設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)電路時(shí)，還要根據(jù)元件的失效率特征及其使用場(chǎng)所采取相應(yīng)措施：

在元件級(jí)，對(duì)那些容易產(chǎn)生短路的部件，以串聯(lián)方式復(fù)制；對(duì)那些容易產(chǎn)生斷路的部件，以并聯(lián)方式復(fù)制，并在這些部分設(shè)置報(bào)警和保護(hù)裝置。

2、元器件選擇

（1）型號(hào)與公差　在確定元件參數(shù)之后，還要確定元器件的型號(hào)，這主要取決于電路所允許的公差范圍。對(duì)于電容器，如果用于常溫環(huán)境中，一般的電解電容就可以滿足要求，對(duì)于電容公差要求較高的電路系統(tǒng)，則電解電容就不宜選用。

（2）降額使用　元件的失效率隨工作電壓成倍的增加。因此，系統(tǒng)供電電源的容量就大于負(fù)載的最大值，元器件的額定工作條件是多方面的，如電流電壓頻率、功率、機(jī)械強(qiáng)度以及環(huán)境溫度等。所說(shuō)的降額使用，就是要降低以上這些參數(shù)，在電路設(shè)計(jì)中，首先考慮的是降低它的功效。選用電容器時(shí)要降低它的工作電壓，使用電壓一般小于額定電壓的60％。選用二級(jí)管以及可控硅時(shí)，應(yīng)使其工作電流低于額定電流，對(duì)于晶體管、穩(wěn)壓管等應(yīng)考慮工作時(shí)的耗散功率。

集成電路的降額使用同樣是從電氣參數(shù)及環(huán)境因素上來(lái)考慮。在電氣上要降低功耗，對(duì)CMOS芯片和線性集成電路在滿足輸出要求的前提下，應(yīng)降低電源電壓或減少下級(jí)負(fù)載。而TTL電路對(duì)電源電壓要求比較嚴(yán)，這時(shí)應(yīng)注意它們的帶負(fù)載能力，民用元器件的溫度使用范圍較窄，如果用于工業(yè)控制中，在整體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)降額使用。

3、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)是硬件可靠性設(shè)計(jì)的最后階段，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)注意元器件及設(shè)備的安裝方式；其次是控制系統(tǒng)工作的環(huán)境條件，如通風(fēng)、除濕、防塵等。

4、噪聲抑制

噪聲對(duì)模擬電路會(huì)影響系統(tǒng)的精度，對(duì)數(shù)字電路會(huì)造成誤動(dòng)作，因此在工程設(shè)計(jì)中，必須采用抑制措施。干擾信號(hào)可分為串模干擾和共模干擾兩大類。針對(duì)這兩類干擾成熟的電路以及專題著作也不少，下面將常用的方法介紹如下：

4．1　抗串模干擾的措施

（1）光電隔離，在輸入和輸出通道上采用光耦合器件來(lái)進(jìn)行信息傳輸，以免上一級(jí)干擾竄到下一級(jí)。

（2）硬件濾波電路，常用RC低通道濾波器接在一些低頻信號(hào)傳送電路中（如熱電偶輸入線路等），它可大大削弱各類高頻干擾信號(hào)（如各類“毛刺”干擾）。

（3）過(guò)壓保護(hù)電路，在輸入輸出通道上應(yīng)采用一定的過(guò)壓保護(hù)電路，以防止引入高電壓傷害單片機(jī)系統(tǒng)。

（4）采用抗干擾穩(wěn)壓電源，微機(jī)系統(tǒng)的供電線路是干擾的主要入侵途徑。通常采用以下幾種措施：

①單片機(jī)系統(tǒng)的供電線路和產(chǎn)生干擾的用電設(shè)備分開(kāi)供電；

②通過(guò)低通濾波器和隔離變壓器接入電網(wǎng)；

③整流元件上并接濾波電容，如圖1所示，選用高質(zhì)量的穩(wěn)壓電路。

4．2　抗共模干擾措施

共模干擾通常是針對(duì)平衡輸入信號(hào)而言的，抗共模干擾的方法有以下幾種：

（1）平衡對(duì)稱輸入，在設(shè)計(jì)信號(hào)源時(shí)，通常是各類信號(hào)盡可能做到平衡對(duì)稱。

（2）選用高質(zhì)量的差動(dòng)放大器。

（3）要有良好的接地系統(tǒng)。

（4）系統(tǒng)接地點(diǎn)要正確連接；系統(tǒng)中的大功率的元件地線與小功率的信號(hào)地線也要分開(kāi)布線或加粗地線，數(shù)字地與模擬地必須分開(kāi)，最后只在一點(diǎn)相連。如果系統(tǒng)中的數(shù)字地與模擬地不分，則數(shù)字信號(hào)電流在模擬系統(tǒng)的地線中形成干擾（地電位改變），使模擬信號(hào)失真，這一點(diǎn)請(qǐng)初學(xué)者特別注意。

（5）屏蔽，用金屬外殼或金屬匣將整機(jī)或部分元器件包圍起來(lái)，再將金屬外殼或金屬匣接地，就能起到屏蔽作用。對(duì)于各種通過(guò)電磁感應(yīng)引起的干擾，特別注意的是屏蔽外殼的接地點(diǎn)，一定與信號(hào)的參考點(diǎn)相接。

以上介紹的幾項(xiàng)是十分必要的硬件抗干擾措施，它給單片機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)造了一個(gè)基本上“干凈”的工作環(huán)境。

參考文獻(xiàn)
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